KR102402917B1 - 반도체 소자 - Google Patents

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Abstract

실시 예는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층의 일부 영역까지 배치되는 복수 개의 리세스를 포함하는 반도체 구조물; 상기 복수 개의 리세스의 내부에 배치되어 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극; 상기 제2 도전형 반도체층의 제1면에 배치되는 제2 전극; 상기 제2 전극상에 배치되는 제3 전극; 상기 제2 전극과 제3 전극 상에 배치되는 반사층; 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전층; 및 상기 반사층을 관통하여 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제2 도전층을 포함하고, 상기 제2 전극은 투광 전극이고, 상기 제3 전극은 Al을 포함하고, 상기 제3 전극과 상기 반사층의 면적비는 1:0.8 내지 1:1.3인 반도체 소자를 개시한다.

Description

반도체 소자{SEMICONDUCTOR DEVICE}
실시 예는 반도체 소자에 관한 것이다.
GaN, AlGaN 등의 화합물을 포함하는 반도체 소자는 넓고 조정이 용이한 밴드 갭 에너지를 가지는 등의 많은 장점을 가져서 발광 소자, 수광 소자 및 각종 다이오드 등으로 다양하게 사용될 수 있다.
특히, 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용한 발광 다이오드(Light Emitting Diode)나 레이저 다이오드(Laser Diode)와 같은 발광소자는 박막 성장 기술 및 소자 재료의 개발로 적색, 녹색, 청색 및 자외선 등 다양한 색을 구현할 수 있으며, 형광 물질을 이용하거나 색을 조합함으로써 효율이 좋은 백색 광선도 구현이 가능하며, 형광등, 백열등 등 기존의 광원에 비해 저소비전력, 반영구적인 수명, 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성의 장점을 가진다.
뿐만 아니라, 광검출기나 태양 전지와 같은 수광 소자도 반도체의 3-5족 또는 2-6족 화합물 반도체 물질을 이용하여 제작하는 경우 소자 재료의 개발로 다양한 파장 영역의 빛을 흡수하여 광 전류를 생성함으로써 감마선부터 라디오 파장 영역까지 다양한 파장 영역의 빛을 이용할 수 있다. 또한 빠른 응답속도, 안전성, 환경 친화성 및 소자 재료의 용이한 조절의 장점을 가져 전력 제어 또는 초고주파 회로나 통신용 모듈에도 용이하게 이용할 수 있다.
따라서, 반도체 소자는 광 통신 수단의 송신 모듈, LCD(Liquid Crystal Display) 표시 장치의 백라이트를 구성하는 냉음극관(CCFL: Cold Cathode Fluorescence Lamp)을 대체하는 발광 다이오드 백라이트, 형광등이나 백열 전구를 대체할 수 있는 백색 발광 다이오드 조명 장치, 자동차 헤드 라이트 및 신호등 및 Gas나 화재를 감지하는 센서 등에까지 응용이 확대되고 있다. 또한, 반도체 소자는 고주파 응용 회로나 기타 전력 제어 장치, 통신용 모듈에까지 응용이 확대될 수 있다.
특히, 자외선 파장 영역의 광을 방출하는 발광소자는 경화작용이나 살균 작용을 하여 경화용, 의료용, 및 살균용으로 사용될 수 있다.
최근 자외선 발광소자에 대한 연구가 활발하나, 아직까지 자외선 발광소자는 수직형으로 구현하기 어려운 문제가 있으며, 광 추출 효율이 상대적으로 떨어지는 문제가 있다.
실시 예는 광 추출 효율이 향상된 반도체 소자를 제공한다.
실시 예는 전류 분산 효율(Current spreading)이 우수한 반도체 소자를 제공한다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자는, 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하고, 상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층의 일부 영역까지 배치되는 복수 개의 리세스를 포함하는 반도체 구조물; 상기 복수 개의 리세스의 내부에 배치되어 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극; 상기 제2 도전형 반도체층의 제1면에 배치되는 제2 전극; 상기 제2 전극상에 배치되는 제3 전극; 상기 제2 전극과 제3 전극 상에 배치되는 반사층; 상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전층; 및 상기 반사층을 관통하여 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제2 도전층을 포함하고, 상기 제2 전극은 투광 전극이고, 상기 제3 전극은 Al을 포함하고, 상기 제3 전극과 상기 반사층의 면적비는 1:0.8 내지 1:1.3를 만족한다.
상기 반사층은 제1굴절률을 갖는 복수 개의 제1반사층, 및 제2굴절률을 갖는 복수 개의 제2반사층을 포함할 수 있다.
상기 반사층은 DBR(Distributed Bragg Reflector)을 포함할 수 있다.
상기 제3 전극은 상기 이웃한 리세스 사이에 배치될 수 있다.
상기 제3 전극은 복수 개의 홀을 포함하고, 상기 복수 개의 제1 전극은 평면상 상기 복수 개의 홀의 내부에 배치될 수 있다.
상기 홀은 다각 형상 또는 원 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층의 제1면과 상기 반사층의 면적비는 1:0.3 내지 1: 0.7일 수 있다.
상기 제3 전극은, Al을 포함하는 제1층, 상기 제1층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 제2층, 및 상기 제1층과 상기 제2 도전층 사이에 배치되는 제3층을 포함하고, 상기 제2층은 Cr, Ti, Ni 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 제3층은 Ni, Ti, No, Pt, W, Au, Ni 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제2 전극의 면적은 상기 제3 전극의 면적보다 클 수 있다.
상기 제2 도전형 반도체층의 제1면과 상기 제1 전극의 면적비는 1: 0.08 내지 1:0.15일 수 있다.
상기 리세스의 내부에 배치되어 상기 제1 도전층을 상기 활성층 및 제2도전형 반도체층과 절연시키는 제1 절연층, 및 상기 제1 도전층과 제2 도전층 사이에 배치되는 제2 절연층을 포함할 수 있다.
상기 제1 절연층은 상기 제1면으로 연장되는 연장부를 포함할 수 있다.
상기 반사층은 상기 연장부와 상기 제2 전극 사이의 이격 영역에 채워질 수 있다.
상기 제3 전극은 상기 제1면의 가장자리로 연장되는 복수 개의 끝단부, 및 상기 복수 개의 끝단부를 연결하는 테두리 전극을 포함할 수 있다.
상기 활성층은 자외선 파장대의 광을 출사할 수 있다.
실시 예에 따르면, 광 추출 효율이 향상된다.
또한, 전류 분산 효율이 우수하여 광 출력이 향상될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고,
도 2a 및 도 2b는 리세스의 개수 변화에 따라 광 출력이 향상되는 구성을 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이고,
도 4는 도 3의 A-A 방향 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제3 전극의 단면도이고,
도 6a는 제3 전극이 자외선 광을 흡수하는 상태를 보여주는 도면이고,
도 6b는 다양한 반사층의 280nm 파장대 광에 대한 반사율을 측정한 그래프이고,
도 7은 리세스가 단위 전극에 의해 포위된 상태를 보여주는 도면이고,
도 8은 도 3의 A부분 확대도이고,
도 9는 도 4의 변형예이고,
도 10은 본 발명의 제3 전극의 변형예이고,
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이고,
도 12는 도 11의 B-B 방향 단면도이고,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이고,
도 14는 도 13의 B 방향 확대도이고,
도 15는 본 발명의 반도체 구조물의 두께에 따른 알루미늄 조성 변화를 보여주는 그래프이고,
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이다.
본 실시 예들은 다른 형태로 변형되거나 여러 실시 예가 서로 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 각각의 실시 예로 한정되는 것은 아니다.
특정 실시 예에서 설명된 사항이 다른 실시 예에서 설명되어 있지 않더라도, 다른 실시 예에서 그 사항과 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 다른 실시 예에 관련된 설명으로 이해될 수 있다.
예를 들어, 특정 실시 예에서 구성 A에 대한 특징을 설명하고 다른 실시 예에서 구성 B에 대한 특징을 설명하였다면, 구성 A와 구성 B가 결합된 실시 예가 명시적으로 기재되지 않더라도 반대되거나 모순되는 설명이 없는 한, 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 개념도이고, 도 2a 및 도 2b는 리세스의 개수 변화에 따라 광 출력이 향상되는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자는, 제1 도전형 반도체층(124), 활성층(126), 제2 도전형 반도체층(127)을 포함하는 반도체구조물(120), 제1 도전형 반도체층(124)과 전기적으로 연결되는 제1 전극(142), 및 제2 도전형 반도체층(127)과 전기적으로 연결되는 제2 전극(246)을 포함한다.
반도체구조물(120)은 자외선 파장대의 광을 출력할 수 있다. 예시적으로 반도체구조물(120)은 근자외선 파장대의 광(UV-A)을 출력할 수도 있고, 원자외선 파장대의 광(UV-B)을 출력할 수 도 있고, 심자외선 파장대의 광(UV-C)을 출력할 수 있다. 파장범위는 반도체구조물(120)의 Al의 조성비에 의해 결정될 수 있다.
예시적으로, 근자외선 파장대의 광(UV-A)는 320nm 내지 420nm 범위의 파장을 가질 수 있고, 원자외선 파장대의 광(UV-B)은 280nm 내지 320nm 범위의 파장을 가질 수 있으며, 심자외선 파장대의 광(UV-C)은 100nm 내지 280nm 범위의 파장을 가질 수 있다.
반도체구조물(120)은 제1 도전형 반도체층(124), 제2 도전형 반도체층(127), 및 제1 도전형 반도체층(124)과 제2 도전형 반도체층(127) 사이에 배치되는 활성층(126)을 포함한다.
제1 도전형 반도체층(124)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제1도펀트가 도핑될 수 있다. 제1 도전형 반도체층(124)은 Inx1Aly1Ga1 -x1-y1N(0≤x1≤1, 0≤y1≤1, 0≤x1+y1≤1)의 조성식을 갖는 반도체 재료, 예를 들어 GaN, AlGaN, InGaN, InAlGaN 등에서 선택될 수 있다. 그리고, 제1도펀트는 Si, Ge, Sn, Se, Te와 같은 n형 도펀트일 수 있다. 제1도펀트가 n형 도펀트인 경우, 제1도펀트가 도핑된 제1 도전형 반도체층(124)은 n형 반도체층일 수 있다.
활성층(126)은 제1 도전형 반도체층(124)과 제2 도전형 반도체층(127) 사이에 배치된다. 활성층(126)은 제1 도전형 반도체층(124)을 통해서 주입되는 전자(또는 정공)와 제2 도전형 반도체층(127)을 통해서 주입되는 정공(또는 전자)이 만나는 층이다. 활성층(126)은 전자와 정공이 재결합함에 따라 낮은 에너지 준위로 천이하며, 자외선 파장을 가지는 빛을 생성할 수 있다.
활성층(126)은 단일 우물 구조, 다중 우물 구조, 단일 양자 우물 구조, 다중 양자 우물(Multi Quant㎛ Well; MQW) 구조, 양자점 구조 또는 양자선 구조 중 어느 하나의 구조를 가질 수 있으며, 활성층(126)의 구조는 이에 한정하지 않는다.
제2 도전형 반도체층(127)은 Ⅲ-Ⅴ족, Ⅱ-Ⅵ족 등의 화합물 반도체로 구현될 수 있으며, 제2 도전형 반도체층(127)에 제2도펀트가 도핑될 수 있다. 제2 도전형 반도체층(127)은 Inx5Aly2Ga1 -x5- y2N (0≤x5≤1, 0≤y2≤1, 0≤x5+y2≤1)의 조성식을 갖는 반도체 물질 또는 AlInN, AlGaAs, GaP, GaAs, GaAsP, AlGaInP 중 선택된 물질로 형성될 수 있다. 제2도펀트가 Mg, Zn, Ca, Sr, Ba 등과 같은 p형 도펀트인 경우, 제2도펀트가 도핑된 제2 도전형 반도체층(127)은 p형 반도체층일 수 있다.
실시 예에 따른 반도체구조물(120)은 복수 개의 리세스(h1)를 포함한다. 복수 개의 리세스(h1)는 제2 도전형 반도체층(127)의 제1면(127G)에서 활성층(126)을 관통하여 제1 도전형 반도체층(124)의 일부 영역까지 배치될 수 있다.
제1 전극(142)은 리세스(h1)의 내부에 배치되어 제1 도전형 반도체층(124)과 전기적으로 연결될 수 있다. 제1 도전층(165)은 복수 개의 리세스(h1) 내에 배치되어 복수 개의 제1 전극(142)을 전기적으로 연결될 수 있다. 리세스(h1)의 내부에는 제1 절연층(131)이 배치되어 제1 도전층(165)을 제2 도전형 반도체층(127) 및 활성층(126)과 전기적으로 절연시킬 수 있다.
제1 절연층(131)은 제1 개구부(21)를 포함할 수 있다. 제1 전극(142)은 제1 절연층(131)의 제1 개구부(21) 내에 배치되어 제1 도전형 반도체층(124)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극(142)은 반도체 소자의 수율 및/또는 신뢰성을 확보하기 위해 리세스(h1)의 측면과 이격 배치되는 것이 바람직하다. 제1 절연층(131)은 반도체 소자의 신뢰성을 확보하기 위해 리세스(h1) 내부에서 제1 전극(142)과 리세스(h1)의 측면 사이에 배치될 수 있다.
따라서, 리세스(h1)의 직경이 20㎛이상일 때 제1 전극(142)과 제1 절연층(131)을 리세스(h1) 내부에 배치하기 위한 공정 마진을 확보할 수 있고 이에 따라 반도체 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다. 또한 활성층(126)의 적정 면적을 확보하기 위해 리세스(h1)의 직경이 70㎛이하로 배치하는 것이 바람직하다. 리세스(h1)의 직경은 제2 도전형 반도체층(127)의 제1면(127G)에 형성된 최대 직경일 수 있다.
도 2a를 참조하면, GaN 기반의 반도체구조물(120)이 자외선을 발광하는 경우 알루미늄을 포함할 수 있고, 반도체 구조물(120)의 알루미늄 조성이 높아지면 반도체구조물(120) 내에서 전류 분산 특성이 저하될 수 있다. 또한, 활성층(126)이 Al을 포함하여 자외선을 발광하는 경우, 활성층(126)은 GaN 기반의 청색 발광 소자에 비하여 측면으로 방출하는 광량이 증가하게 된다(TM 모드). 이러한 TM모드는 자외선 반도체 소자에서 주로 발생할 수 있다.
자외선 반도체 소자는 청색 GaN 기반의 반도체 소자에 비해 전류 분산 특성이 떨어진다. 따라서, 자외선 반도체 소자는 청색 GaN 기반의 반도체 소자에 비해 상대적으로 많은 제1 전극(142)을 배치할 필요가 있다.
알루미늄의 조성이 높아지면 전류 분산 특성이 악화될 수 있다. 도 2a를 참고하면, 각각의 제1 전극(142)의 인근지점에만 전류가 분산되며, 거리가 먼 지점에서는 전류밀도가 급격히 낮아질 수 있다. 따라서, 유효 발광 영역(P2)이 좁아질 수 있다.
유효 발광 영역(P2)은 전류 밀도가 가장 높은 제1 전극(142)의 중심에서의 전류 밀도를 기준으로 전류 밀도가 40% 이하인 경계지점까지의 영역으로 정의할 수 있다. 예를 들어, 유효 발광 영역(P2)은 리세스(h1)의 중심으로부터 40㎛이내의 범위에서 주입 전류의 레벨, Al의 조성에 따라 조절될 수 있다.
저전류밀도영역(P3)은 전류밀도가 낮아서 방출되는 광량이 유효 발광 영역(P2)에 비해 적을 수 있다. 따라서, 전류밀도가 낮은 저전류밀도영역(P3)에 제1 전극(142)을 더 배치하거나 반사구조를 이용하여 광 출력을 향상시킬 수 있다.
일반적으로 청색광을 방출하는 GaN 기반의 반도체 소자의 경우 상대적으로 전류 분산 특성이 우수하므로 리세스(h1) 및 제1 전극(142)의 면적을 최소화하는 것이 바람직하다. 리세스(h1)와 제1 전극(142)의 면적이 커질수록 활성층(126)의 면적이 작아지기 때문이다. 그러나, 실시 예의 경우 알루미늄의 조성이 높아서 전류 분산 특성이 상대적으로 떨어지므로, 활성층(126)의 면적을 희생하더라도 제1 전극(142)의 면적 및/또는 개수를 증가시켜 저전류밀도영역(P3)을 줄이거나, 또는 저전류밀도영역(P3)에 반사구조를 배치하는 것이 바람직할 수 있다.
도 2b를 참고하면, 리세스(h1)의 개수가 48개로 증가하는 경우 리세스(h1)는 가로 세로 방향으로 일직선으로 배치하지 않고, 지그재그로 배치될 수 있다. 이 경우 저전류밀도영역(P3)의 면적을 좁힐 수 있기 때문에 대부분의 활성층(126)이 발광에 참여할 수 있다.
리세스(h1)의 개수가 70개 내지 110개가 되는 경우 전류가 더 효율적으로 분산되어 동작 전압이 더 낮아지고 광 출력은 향상될 수 있다. UV-C를 발광하는 반도체 소자에서는 리세스(h1)의 개수는 전기적, 광학적 특성을 확보하기 위해 70개 이상을 배치하는 것이 바람직하고, 활성층(126)의 부피를 확보하여 광학적 특성을 확보하기 위해 110개 이하로 배치하는 것이 바람직하다.
다시 도 1을 참조하면, 제2 전극(246)은 제2 도전형 반도체층(127)의 제1면(127G)에 배치될 수 있다. 제2 전극(246)은 상대적으로 자외선 광 흡수가 적은 투광 전극을 포함할 수 있다.
제1 전극(142)과 제2 전극(246)은 오믹 전극일 수 있다. 제1 전극(142)과 제2 전극(246)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
제3 전극(247)은 제2 전극(246)의 하부에 배치될 수 있다. 제3 전극(247)은 제2 도전층(150)과 제2 전극(246)의 사이에 배치되어 전류 주입 효율을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 제3 전극(247)은 금속을 포함하는 비투광성 전극일 수 있다.
그러나, 제3 전극(247)이 전도도가 높은 물질로 구성되는 경우, 제3 전극(247)은 투광성 전극일 수 있다. 제3 전극(247)은 ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), IZTO(indium zinc tin oxide), IAZO(indium aluminum zinc oxide), IGZO(indium gallium zinc oxide), IGTO(indium gallium tin oxide), AZO(aluminum zinc oxide), ATO(antimony tin oxide), GZO(gallium zinc oxide), IZON(IZO Nitride), AGZO(Al-Ga ZnO), IGZO(In-Ga ZnO), ZnO, IrOx, RuOx, NiO, RuOx/ITO, Ni/IrOx/Au, 또는 Ni/IrOx/Au/ITO, Ag, Ni, Cr, Ti, Al, Rh, Pd, Ir, Sn, In, Ru, Mg, Zn, Pt, Au, Hf 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있으나, 이러한 재료에 한정되는 않는다.
반사층(248)은 제2 전극(246)의 일부 영역과 제3 전극(247)의 일부 영역을 덮을 수 있다. 따라서, 반사층(248)은 활성층(126)에서 출사된 광을 반사시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 반사층(248)은 절연성 물질을 포함할 수 있다. 반사층(248)은 제1굴절률을 갖는 제1반사층과 제2 굴절률을 갖는 제2 반사층으로 구성될 수 있다. 예시적으로 반사층(248)은 DBR(Distributed Bragg reflector)일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 예를 들어, 반사층(248)은 HfOx, SixOy, SixNy, SiON, TiOx 등의 절연 물질일 수 있고, 이 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다.
제2 도전층(150)은 반사층(248)에 배치된 홀(hole)을 통해 복수 개의 제3 전극(247)과 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 도전층(150)은 제1 절연층(131)과 접착력이 좋은 물질을 포함할 수 있다. 예시적으로 제2 도전층(150)은 Cr, Al, Ti, Ni, Au 등의 물질로 구성되는 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 물질 및 이들의 합금으로 이루어질 수 있으며, 단일층 혹은 복수의 층으로 이루어질 수 있다.
제2 도전층(150)은 일부 영역에서 제1 절연층(131)과 접할 수 있다. 제2 도전층(150)과 제1 절연층(131)이 접할 경우, 제2 도전층(150)과 제1 절연층(131)사이의 접착력이 좋은 물질을 배치함으로써 반도체 소자의 동작 시 발생하는 열에 의한 신뢰성 저하 문제를 개선할 수 있다.
제1 절연층(131)은 제1 전극(142)을 활성층(126) 및 제2 도전형 반도체층(127)과 전기적으로 절연시킬 수 있다. 또한, 제1 절연층(131)은 제2 도전층(150)을 제1 도전층(165)과 전기적으로 절연시킬 수 있다.
제1 절연층(131)은 리세스(h1)를 관통하는 복수의 제1 개구부(21)를 포함할 수 있고, 제1 전극(142)은 제1 개구부(21)내에 배치될 수 있다. 또한, 제1 절연층(131)은 제2 전극패드(166)와 제2 도전층(150)을 전기적으로 연결하기 위한 제2 개구부(22)를 포함할 수 있다. 제1 개구부(21)와 제2 개구부(22)의 폭은 서로 상이할 수 있다.
제1 절연층(131)은 SiO2, SixOy, Si3N4, SixNy, SiOxNy, Al2O3, TiO2, AlN 등으로 이루어진 군에서 적어도 하나가 선택되어 형성될 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 제1 절연층(131)은 단층 또는 다층으로 형성될 수 있다. 예시적으로 제1 절연층(131)은 HfOx, SixOy, SixNy, SION, TiOx 등의 절연 물질일 수 있고 이 중 적어도 하나 이상을 포함하는 다층 구조의 DBR(distributed Bragg reflector) 일 수도 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하지 않고 제1 절연층(131)은 다양한 반사 구조를 포함할 수 있다.
제1 절연층(131)이 반사기능을 수행하는 경우, 활성층(126)에서 측면을 향해 방출되는 광을 상향 반사시켜 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 자외선 반도체 소자는 청색광을 방출하는 반도체 소자에 비해 측면으로 발광하는 TM(Transverse Magnetic mode) 모드의 발광 확률이 상대적으로 높기 때문에 리세스(h1)의 측면에 제1 절연층(131)이 배치되는 경우 리세스(h1)의 개수가 많아질수록 광 추출 효율은 더 효과적일 수 있다.
반도체 소자의 일 측 모서리 영역에는 제2 전극패드(166)가 배치될 수 있다. 제2 전극패드(166)의 상면은 중앙 부분이 함몰되어 상면이 오목부와 볼록부를 가질 수 있다. 상면의 오목부에는 와이어(미도시)가 본딩될 수 있다. 따라서, 접착 면적이 넓어져 제2 전극패드(166)와 와이어가 더 견고히 본딩될 수 있다.
제2 전극패드(166)는 광을 반사하는 작용을 할 수 있으므로, 제2 전극패드(166)는 반도체구조물(120)과 가까울수록 광 추출효율이 향상될 수 있다.
제2 전극패드(166)는 활성층(126)보다 높을 수 있다. 따라서 제2 전극패드(166)는 활성층(126)에서 소자의 수평방향으로 방출되는 광을 상부로 반사하여 광 추출효율을 향상시키고, 지향각을 제어할 수 있다.
제2 전극패드(166)는 제1 절연층(131)의 제2 개구부(22)를 통해 제2 도전층(150), 및 제2 전극(246)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 절연층(131)의 제2 개구부(22)의 폭은 반도체 소자의 전기적 특성을 확보하기 위해 제2 전극패드(166)의 전체 폭의 60% 이상일 수 있고, 반도체 소자의 면적에 대한 발광 효율을 확보하기 위해 95% 이하일 수 있다.
예를 들어, 제2 개구부(22)의 폭은 반도체 소자의 전기적 특성을 확보하기 위해 40㎛ 이상이 되는 것이 바람직하다. 제2 전극패드(166)는 반도체 소자의 상면의 면적에서 발광에 기여하는 부분이 아니기 때문에, 와이어 공정을 위한 면적이 확보되고 반도체 소자의 전기적 특성이 확보되도록 배치하는 것이 바람직하다.
와이어 공정을 위한 제2 전극패드(166)의 폭은 반도체 소자의 전류 주입에 의한 전기적 특성을 확보하기 위해 40㎛이상이 되도록 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 반도체 소자의 면적과 발광 구조물의 면적 사이의 비발광 영역의 면적이 최소화 되도록 120㎛ 이하가 되도록 배치하는 것이 바람직하다.
제2 전극패드(166)는 적어도 하나 이상이 배치될 수 있고, 제2 전극패드(166)의 폭은 단일 제2 전극패드(166)의 폭을 의미할 수 있다.
제2 전극패드(166)의 폭을 고려했을 때, 제2 개구부(22)의 폭이 120㎛보다 크면 제2 도전층(150)이 외부로 노출될 수 있다. 제2 도전층(150)이 외부로 노출되는 경우 제2 도전층(150)이 외부의 습기나 오염 물질에 의해 전류 주입 특성이 저하될 수 있다. 따라서 제2 도전층(150)을 외부로 노출시키지 않기 위해 제2 개구부(22)의 폭은 120㎛ 이하로 배치하는 것이 바람직하다.
제2 절연층(132)은 제2 도전층(150)을 제1 도전층(165)과 전기적으로 절연시킬 수 있다. 제1 도전층(165)은 제2 절연층(132)을 관통하여 제1 전극(142)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 절연층(131)의 두께는 제2 전극(246)보다 두껍고 제2 절연층(132)의 두께보다 얇을 수 있다. 예시적으로 제1 절연층(131)의 두께는 300nm 내지 700nm일 수 있다. 반도체 소자의 전기적 신뢰성을 확보하기 위해 제1 절연층(131)의 두께는 300nm이상일 수 있다. 또한, 제2 도전층(150)이 제1 절연층(131) 상부와 측면에 배치되는 경우, 제2 도전층(150)의 스텝 커버리지 특성이 좋지 않아 박리나 크랙을 유발할 수 있다. 박리나 크랙을 유발하는 경우, 전기적 신뢰성이 악화되거나 광 추출 효율이 저하되는 문제점을 야기할 수 있다. 따라서 반도체 소자의 전기적 광학적 특성 및 신뢰성을 확보하기 위해 제1 절연층(131)의 두께는 700nm 이하로 배치하는 것이 바람직할 수 있다.
제2 절연층(132)의 두께는 400nm 내지 1000nm일 수 있다. 제2 절연층(132)의 두께는 반도체 소자의 동작 시 발생하는 열이나 전극을 구성하는 물질의 마이그레이션(migration), 응집(agglomeration) 등에 의해 전기적, 광학적 신뢰성이 저하될 수 있기 때문에 400nm 이상 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 공정시 소자에 가해지는 압력이나 열적 스트레스에 의한 신뢰성 저하 문제를 개선하고, 공정 시간이 길어져 소자의 단가가 높아지는 문제 개선하기 위해 1000nm이하로 배치하는 것이 바람직할 수 있다.
반도체구조물(120)의 하부면과 리세스(h1)의 형상을 따라 제1 도전층(165)과 접합층(160)이 배치될 수 있다. 제1 도전층(165)은 반사율이 우수한 물질로 이루어질 수 있다. 예시적으로 제1 도전층(165)은 알루미늄을 포함할 수 있다. 제1 도전층(165)이 알루미늄을 포함하는 경우, 활성층(126)에서 방출되는 광을 상부로 반사하는 역할을 하여 광 추출 효율을 향상시킬 수 있다.
접합층(160)은 도전성 재료를 포함할 수 있다. 예시적으로 접합층(160)은 금, 주석, 인듐, 알루미늄, 실리콘, 은, 니켈, 및 구리로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 접합층(160)은 LLO 공정시 기판(170)과 반도체구조물(120)을 접합시킬 수도 있다.
기판(170)은 도전성 물질로 이루어질 수 있다. 예시적으로 기판(170)은 금속 또는 반도체 물질을 포함할 수 있다. 기판(170)은 전기 전도도 및/또는 열 전도도가 우수한 금속일 수 있다. 이 경우 반도체 소자 동작시 발생하는 열을 신속이 외부로 방출할 수 있다.
기판(170)은 실리콘, 몰리브덴, 실리콘, 텅스텐, 구리 및 알루미늄으로 구성되는 군으로부터 선택되는 물질 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 기판(170)은 제1 도전형 반도체층(124)과 외부 전극을 전기적으로 연결할 수 있다.
패시베이션층(180)은 반도체구조물(120)의 상부면과 측면에 형성될 수 있다. 패시베이션층(180)은 제2 전극(246)과 인접한 영역이나 제2 전극(246)의 하부에서 제1 절연층(131)과 접촉할 수 있다.
반도체구조물(120)의 상면에는 요철이 형성될 수 있다. 이러한 요철은 반도체구조물(120)에서 출사되는 광의 추출 효율을 향상시킬 수 있다. 요철은 자외선 파장에 따라 평균 높이가 다를 수 있으며, UV-C의 경우 300 nm 내지 800 nm 정도의 높이를 갖고, 평균 500nm 내지 600nm 정도의 높이를 가질 때 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이고, 도 4는 도 3의 A-A 방향 단면도이고, 도 5는 본 발명의 제3 전극의 단면도이고, 도 6a는 제3 전극이 자외선 광을 흡수하는 상태를 보여주는 도면이고, 도 6b는 다양한 반사층의 280nm 파장대 광에 대한 반사율을 측정한 그래프이다.
도 3을 참조하면, 제3 전극(247)은 평면상에서 이웃한 리세스(h1)들 사이에 배치될 수 있다. 제3 전극(247)은 복수 개의 홀(S1)을 포함하고 복수 개의 리세스(h1)는 복수 개의 홀(S1)의 내부에 각각 배치될 수 있다.
복수 개의 홀(S1)은 삼각형, 사각형, 오각형과 같은 다각 형상이거나 원 형상을 가질 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 복수 개의 홀은 다양한 형상을 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 제1 절연층(131)은 제2 도전형 반도체층(127)의 제1면(127G)으로 연장되는 연장부(131a)를 포함하고, 제2 전극(246)은 제2 도전형 반도체층(127)의 제1면(127G)에 배치될 수 있다.
제1 절연층(131)과 제2 전극(246) 사이에는 이격 영역(W2)이 형성되고, 이격 영역(W2)을 통해 제2 도전형 반도체층(127)이 일부 노출될 수 있다. 이격 영역(W2)에는 반사층(248)이 배치되어 제2 도전형 반도체층(127)과 접촉할 수 있다. 반사층(248)이 제2 도전형 반도체층(127)과 접촉하는 경우, 반사층(248)이 제2 전극(246)을 감싸며 배치됨으로써 제2 전극(246)과 반사층(248) 사이의 박리 문제를 개선할 수 있고, 반도체 소자의 신뢰성을 확보할 수 있다.
제3 전극(247)은 제2 전극(246)의 하부에 배치될 수 있다. 또한, 제3 전극(247)은 제2 도전층(150)과 제2 전극(246)의 사이에 배치되어 전류 주입 효율을 향상시키는 역할을 수행할 수 있다. 만약 제3 전극(247) 없이 제2 도전층(150)이 직접 제2 전극(246)과 연결되는 경우 반사층(248)이 비전도성이므로 충분한 전류 분산을 위해서는 제2 전극(246)의 두께가 두꺼워져야 한다. 제2 전극(246)의 두께가 두꺼워지면 활성층(126)에서 방출되는 광이 제2 전극(246)에서 흡수될 확률이 높아질 수 있기 때문에 반도체 소자의 광학적 특성이 저하될 수 있다.
제2전극(246)의 두께가 1nm 미만인 경우 너무 얇아 제2전극(246)이 제대로 배치되기 어려워 전기적 특성이 저하될 수 있고, 15nm를 초과하게 되면 광 흡수율이 높아져 반도체 소자의 광추출효율이 저하될 수 있다. 제3 전극(247)의 두께는 200nm 내지 1.0㎛일 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다.
반사층(248)은 제3 전극(247)의 일부를 노출시키는 제1홀(248a)을 포함할 수 있다. 노출된 제3 전극(247)은 제2 도전층(150)과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1홀(248a)의 폭은 제3 전극(247)의 폭보다 좁을 수 있다. 제1홀(248a)의 폭이 제3 전극(247)의 폭보다 넓으면 제3 전극(247)과 반사층(248) 사이에 이격 공간이 형성되어 광추출 효율이 저하될 수 있다.
도 5를 참조하면, 제3 전극(247)은 알루미늄을 포함하는 제1층(247a), 및 제2 전극(246)과 제1층(247a) 사이에 배치되는 제2층(247b)을 포함할 수 있다. Al을 포함하는 제1층(247a)은 자외선 광을 반사하는 반사층(248)으로 기능할 수도 있다. 그러나, Al과 ITO 사이의 접착력은 반도체 소자의 동작 시 발생하는 열이나 기타 다른 물질의 응집(Agglomeration), 마이그레이션(migration) 등에 의한 박리 현상을 억제하기에 충분하지 않을 수 있다. 따라서, 제2층(247b)은 제1층(247a)을 제2 전극(246)에 접착시키는 역할을 수행할 수 있다. 제2층(247b)은 크롬(Cr), 티탄(Ti) 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1층(247a)의 하부에는 제3층(247c)이 배치될 수 있다. 제3층(247c)은 제1층(247a)의 원자(알루미늄)가 이웃한 층으로 마이그레이션되는 것을 방지하거나 다른 층과 접합하는 역할을 수행할 수 있다. 제3층(247c)은 Ni, Ti, No, Pt, W, Au, Ni 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제3 전극은 Al을 포함하여 자외선 광을 반사할 수 있으나, 제2층이 자외선 광을 흡수하므로 광 추출 효율이 좋지 않을 수 있다. 도 6a와 같이 제3 전극(247)의 면적이 넓어질수록 제2층(247b)의 흡수 면적이 증가하여 광 추출 효율이 감소할 수 있다.
따라서, 실시 예에서는 자외선 광의 반사율이 높은 DBR 반사층(248)을 사용하여 반사효율을 높일 수 있다. 도 6b를 참조하면, ITO 투광전극을 제2 전극으로 사용하고 반사층으로 DBR을 사용한 경우, Al 반사층을 사용한 경우보다 280nm 자외선 광에 대한 반사율이 높은 것을 알 수 있다.
그러나, DBR 반사층(248)은 비전도성이므로 전류 주입 면적이 작아 전류 분산 효율을 높이기 위해 제2 전극(246)의 두께가 두꺼워져야 한다. 제2 전극이 두꺼워지는 경우 자외선 광의 흡수율이 증가하는 문제가 있다. 따라서, 실시 예에서는 제3 전극(247)을 이용하여 전류를 분산시켜 제2 전극(246)의 두께를 얇게 제어할 수 있다.
실시 예에 따르면, 제3 전극(247)의 면적이 증가할수록 전류 분산 효율은 향상되나 광 추출 효율이 감소할 수 있다. 즉 전류 분산 효율과 광 추출 효율이 트레이드 오프(trade-off) 관계에 있을 수 있다. 따라서, 제3 전극(247)의 적정한 면적비가 중요할 수 있다.
제3 전극(247)과 반사층(248)의 면적비는 1:0.8 내지 1:1.3일 수 있다. 여기서, 제3 전극(247)과 반사층(248)의 면적은 평면상에서 최대 면적일 수 있다.
면적비가 1:0.8보다 커지는 경우 반사층(248)의 면적이 증가하여 광 추출 효율이 향상될 수 있다. 면적비가 1:0.8보다 작은 경우(예: 1:0.6)에는 반사층(248)의 면적이 줄어들어 광 추출 효율이 감소할 수 있다.
또한, 면적비가 1:1.3보다 작은 경우 충분한 제3 전극의 면적을 확보하여 전류 분산 효율을 개선할 수 있다. 면적비가 1:1.3보다 커지는 경우 상대적으로 제3 전극(247)의 면적이 줄어들어 전류 분산 효율이 감소할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(127)의 제1면(127G)과 제3 전극(247)의 면적비는 1:0.3 내지 1:0.7일 수 있다. 면적비가 1:0.3보다 커지면 제3 전극(247)의 면적이 넓어져 충분한 전류 분산 효율을 가질 수 있고, 면적비가 1:0.7이하로 제어되는 경우 제3 전극(247)에 의한 광 흡수를 개선할 수 있다. 면적비가 1:0.3보다 작은 경우 제3 전극(247)의 면적이 작아져 전류 분산 효율이 감소할 수 있다. 또한, 면적비가 1:0.7보다 커지는 경우에는 제3 전극(247)의 광 흡수 면적이 증가하여 광 추출 효율이 감소할 수 있다.
제2 도전형 반도체층(127)의 제1면(127G)과 제1 전극(142)의 면적비는 1:0.08 내지 1:0.15일 수 있다. 면적비가 1:0.08보다 커지면 제1 전극(142)의 면적이 넓어져 충분한 전류 분산 효율을 가질 수 있고, 면적비가 1:0.15이하로 제어되는 경우 제1 전극(142)에 의한 광 흡수를 개선할 수 있다. 면적비가 1:0.08보다 작은 경우 제1 전극(142)의 면적이 작아져 전류 분산 효율이 감소할 수 있다. 또한, 면적비가 1:0.7보다 커지는 경우에는 제1 전극(142)간의 간격이 좁아져 충분한 제3 전극(247) 면적을 확보할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 제3 전극(247)의 면적이 좁아져 전류 분산 효율이 감소할 수 있다.
제3 전극(247)의 면적은 제2 전극(246)의 면적보다 작을 수 있다. 도 4를 참조하면, 이웃한 리세스(h1) 사이에 배치된 제2 전극(246)의 폭(W3)과 제3 전극(247)의 폭(W1)의 비(W3:W1)는 1:0.4 내지 1:0.8일 수 있다. 폭의 비가 1:0.4보다 작은 경우 제3 전극의 면적이 작아져 전류 분산 효율이 떨어질 수 있으며, 폭의 비가 0.8보다 커지는 경우 제3 전극(247)의 광 흡수 면적이 증가하여 광 추출 효율이 감소할 수 있다.
반사층(248)의 경사 각도는 20도 내지 80도 일 수 있다. 반사층(248)의 경사 각도가 20도보다 작은 경우에는 충분한 반사층(248)의 두께를 유지하지 못하여 반사율이 감소할 수 있다. 또한, 경사 각도가 80도 보다 커지는 경우 반사층(248)의 측면에 제2 도전층(150)의 형성이 어려워지는 문제가 있다.
도 7은 리세스가 단위 전극에 의해 포위된 상태를 보여주는 도면이고, 도 8은 도 3의 A부분 확대도이다.
도 7을 참조하면, 각각의 리세스(h1)는 단위 전극(247-1)의 내부에 배치될 수 있다. 제3 전극(247)은 각각의 리세스(h1)를 둘러싸는 단위 전극(247-1)의 집합체일 수 있다. 단위 전극(247-1)은 일체로 형성되어 측벽을 공유할 수도 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 단위 전극(247-1)은 서로 이격 배치될 수도 있다.
리세스(h1)와 단위 전극(247-1)에 의해 구획된 홀(S1)의 면적비는 1:2.0 내지 1:5.0일 수 있다. 면적비가 1:2.0보다 작은 경우 반사층(248)의 면적이 작아져 광 추출 효율이 감소할 수 있으며, 면적비가 1:5.0보다 커지는 경우 반사층(248)의 면적이 늘어나는 대신 반사 전극의 면적이 줄어들어 전류 분산 효율이 떨어지는 문제가 있다.
도 8을 참조하면, 제3 전극(247)과 반도체구조물(120)의 측면의 이격 거리(d1)는 1.0㎛ 내지 10㎛일 수 있다. 이격 거리(d1)가 1.0㎛보다 작을 경우에는 공정 마진의 확보가 어려울 수 있다. 또한, 이격 거리(d1)가 10㎛보다 클 경우에는 측면에서의 전류 분산 효율이 저하될 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 제3 전극(247)이 반도체구조물(120)의 측면까지 형성될 수도 있다.
도 9는 도 4의 변형예이고, 도 10은 본 발명의 제3 전극의 변형예이다.
도 9를 참조하면, 반사층(248)은 제1 절연층(131)을 따라 리세스(h1) 내부로 연장될 수도 있다. 이러한 구성에 의하면 반사층(248)이 리세스(h1) 내부에 배치되므로 활성층(126)에서 TM 모드로 출사된 광을 상부로 반사할 수 있다. 제2 절연층(132)은 리세스(h1) 내부로 연장된 반사층(248)의 연장부(248a)를 덮을 수 있다.
도 10을 참조하면, 제3 전극(247)은 반도체구조물(120)의 측면으로 연장되는 복수 개의 끝단부(247b), 및 복수 개의 끝단부(247b)를 연결하는 테두리 전극(247-2)을 포함할 수 있다.
테두리 전극(247-2)은 반도체구조물(120)의 가장자리를 따라 연속적으로 배치될 수 있다. 따라서, 테두리 영역에서도 전류 분산 효율이 향상될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 테두리 전극(247-2)은 복수 개로 분할될 수도 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 평면도이고, 도 12는 도 11의 B-B 방향 단면도이다.
도 11을 참조하면, 반도체 소자는 평면상 복수 개의 리세스(h1) 및 복수 개의 제3 전극(247)을 포함할 수 있다. 각각의 제3 전극(247)은 서로 이격 배치되며, 복수 개의 리세스(h1)에 둘러싸인 구조일 수 있다. 실시 예에 따른 제3 전극(247)은 일부 리세스(h1)가 생략된 자리에 배치될 수 있다.
제3 전극(247)의 직경은 리세스(h1)의 직경보다 클 수 있으나 반드시 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 제3 전극(247)의 직경은 리세스(h1)의 직경과 같거나 작을 수 있다. 또한, 제3 전극(247)의 평면 형상은 다각 형상일 수도 있다.
도 12를 참조하면, 제3 전극(247)이 배치된 지점에서는 제2 도전층(150)과 제2 전극(246)이 전기적으로 연결되는 반면, 제3 전극(247)이 배치되지 않은 영역에서는 제2 전극(246)과 제3 전극(247)은 반사층(248)에 의해 절연될 수 있다. 따라서, 반사층(248)의 면적이 증가하여 광 추출 효율이 향상될 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반도체 소자의 단면도이고, 도 14는 도 13의 B 방향 확대도이다.
도 13을 참조하면, 이웃한 제1리세스(h1)와 제2리세스(h1) 사이에서 복수 개의 제3 전극(247)이 배치될 수 있다. 즉, 이웃한 제1리세스(h1)와 제2리세스(h1) 사이에 1개의 제3 전극(247)이 일체로 형성되는 것이 아니라, 복수 개의 제3 전극(247)이 배치될 수 있다. 따라서, 전류 분산 효율이 더욱 향상될 수 있다.
도 15는 본 발명의 반도체 구조물의 두께에 따른 알루미늄 조성 변화를 보여주는 그래프이다.
실시 예에 따른 반도체 소자의 제2 도전형 반도체층(127)은 제2 전극(246)과 접촉하는 제1면(표면층)에서 알루미늄을 포함한다. 따라서, 오믹 형성을 위해 적정한 알루미늄 조성 변화를 가질 필요가 있다.
도 15를 참조하면, 제1도전형 반도체층(124), 장벽층(126b), 우물층(126a), 제2-1 내지 제2-3 도전형 반도체층(127a, 127b, 127c)은 모두 알루미늄을 포함할 수 있다. 따라서, 제1도전형 반도체층(124), 장벽층(126b), 우물층(126a), 제2-1 내지 제2-3 도전형 반도체층(127a, 127b, 127c)은 AlGaN일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정하지 않는다.
전자 차단층(129)은 알루미늄 조성이 50% 내지 90%일 수 있다. 차단층(129)은 알루미늄 조성이 상대적으로 높은 복수 개의 제1차단층(129a)과 알루미늄 조성이 낮은 복수 개의 제2차단층(129b)이 교대로 배치될 수 있다. 차단층(129)의 알루미늄 조성이 50% 미만일 경우 전자를 차단하기 위한 에너지 장벽의 높이가 부족할 수 있고 활성층(126)에서 방출하는 광을 차단층(129)에서 흡수할 수 있고, 알루미늄 조성이 90%를 초과할 경우 반도체 소자의 전기적 특성이 악화될 수 있다.
전자 차단층(129)은 제1-1구간과 제1-2구간을 포함할 수 있다. 제1-1구간(129-1)은 차단층(129)에 가까워질수록 알루미늄 조성이 높아질 수 있다. 제1-1구간(129-1)의 알루미늄 조성은 80% 내지 100%일 수 있다. 즉, 제1-1구간(129-1)은 AlGaN일 수도 있고 AlN일 수도 있다. 또는 제1-1구간(129-1)은 AlGaN과 AlN이 교대로 배치되는 초격자층일 수도 있다.
제1-1구간(129-1)의 두께는 약 0.1nm 내지 4nm일 수 있다. 제1-1구간(129-1)의 두께가 0.1nm보다 얇을 경우 전자의 이동을 효율적으로 차단하지 못하는 문제점이 있을 수 있다. 또한, 제1-1구간(129-1)의 두께가 4nm보다 두꺼울 경우 활성층으로 정공이 주입되는 효율이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
제1-2구간(129-2)은 언도프(undoped)된 구간을 포함할 수 있다. 제1-2구간(129-2)은 도펀트가 활성층(126)으로 분산되는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.
제2-2 도전형 반도체층(127b)의 두께는 10nm보다 크고 200nm보다 작을 수 있다. 예시적으로 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 두께는 25nm일 수 있다. 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 두께가 10nm보다 작은 경우 수평 방향으로 저항이 증가하여 전류 주입 효율이 저하될 수 있다. 또한, 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 두께가 200nm보다 큰 경우 수직 방향으로 저항이 증가하여 전류 주입 효율이 저하될 수 있다.
제2-2 도전형 반도체층(127b)의 알루미늄 조성은 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 높을 수 있다. 자외선 광을 생성하기 위해 우물층(126a)의 알루미늄 조성은 약 30% 내지 50%일 수 있다. 만약, 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 알루미늄 조성이 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 낮은 경우 제2-2 도전형 반도체층(127b)이 광을 흡수하기 때문에 광 추출 효율이 떨어질 수 있다. 그러나 반드시 이에 한정하지 않는다. 예시적으로 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 일부 구간에서의 알루미늄 조성은 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 낮을 수 있다.
제2-2 도전형 반도체층(127b)의 알루미늄 조성은 40%보다 크고 80%보다 작을 수 있다. 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 알루미늄 조성은 40%보다 작은 경우 광을 흡수하는 문제가 있으며, 80%보다 큰 경우에는 전류 주입 효율이 악화되는 문제가 있다. 예시적으로, 우물층(126a)의 알루미늄 조성이 30%인 경우 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 알루미늄 조성은 40%일 수 있다.
제2-1 도전형 반도체층(127a)의 알루미늄 조성은 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 낮을 수 있다. 제2-1 도전형 반도체층(127a)의 알루미늄 조성이 우물층(126a)의 알루미늄 조성보다 높은 경우 p-오믹 전극 사이의 저항이 높아져 충분한 오믹이 이루어지지 않고, 전류 주입 효율이 떨어지는 문제가 있다.
제2-1 도전형 반도체층(127a)의 알루미늄 조성은 1%보다 크고 50%보다 작을 수 있다. 50%보다 큰 경우 p오믹 전극과 충분한 오믹이 이루어지지 않을 수 있고, 조성이 1%보다 작은 경우 거의 GaN 조성과 가까워져 광을 흡수하는 문제가 있다.
제2-1 도전형 반도체층(127a)의 두께는 1nm 내지 30nm, 또는 1nm 내지 10nm일 수 있다. 전술한 바와 같이 제2-1 도전형 반도체층(127a)은 오믹을 위해 알루미늄의 조성이 낮으므로 자외선 광을 흡수할 수 있다. 따라서, 최대한 제2-1 도전형 반도체층(127a)의 두께를 얇게 제어하는 것이 광 출력 관점에서 유리할 수 있다.
그러나 제2-1 도전형 반도체층(127a)의 두께가 1nm이하로 제어되는 경우 일부 구간은 제2-1 도전형 반도체층(127a)이 배치되지 않고, 제2-2 도전형 반도체층(127b)이 반도체구조물(120)의 외부로 노출되는 영역이 발생할 수 있다. 또한, 두께가 30nm보다 큰 경우 흡수하는 광량이 너무 커져 광 출력 효율이 감소할 수 있다.
제2-1 도전형 반도체층(127a)의 두께는 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 두께보다 작을 수 있다. 제2-2 도전형 반도체층(127b)과 제2-1 도전형 반도체층(127a)의 두께비는 1.5:1 내지 20:1일 수 있다. 두께비가 1.5:1보다 작은 경우 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 두께가 너무 얇아져 전류 주입 효율이 감소할 수 있다. 또한, 두께비가 20:1보다 큰 경우 제2-1 도전형 반도체층(127a)의 두께가 너무 얇아져 오믹 신뢰성이 저하될 수 있다.
제2-2 도전형 반도체층(127b)의 알루미늄 조성은 활성층(126)에서 멀어질수록 작아질 수 있다. 또한, 제2-1 도전형 반도체층(127a)의 알루미늄 조성은 활성층(126)에서 멀어질수록 작아질 수 있다.
이때, 제2-1 도전형 반도체층(127a)의 알루미늄 감소폭은 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 알루미늄 감소폭보다 클 수 있다. 즉, 제2-1 도전형 반도체층(127a)의 Al 조성비의 두께 방향에 대한 변화율은 제2-2 도전형 반도체층(127b)의 Al 조성비의 두께 방향에 대한 변화율보다 클 수 있다.
제2-2 도전형 반도체층(127b)은 두께는 제2-1 도전형 반도체층(127a)보다 두꺼운 반면, 알루미늄 조성은 우물층(126a)보다 높아야 하므로 감소폭이 상대적으로 완만할 수 있다. 그러나, 제2-1 도전형 반도체층(127a)은 두께가 얇고 알루미늄 조성의 변화폭이 크므로 알루미늄 조성의 감소폭이 상대적으로 클 수 있다.
제2-3 도전형 반도체층(127c)는 균일한 알루미늄 조성을 가질 수 있다. 제2-3 도전형 반도체층(127c)의 두께는 20nm 내지 60nm일 수 있다. 제2-3 도전형 반도체층(127c)의 알루미늄 조성은 40% 내지 70%일 수 있다.
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자 패키지의 개념도이다.
반도체 소자는 패키지로 구성되어, 수지(resin)나 레지스트(resist)나 SOD 또는 SOG의 경화용으로 사용될 수 있다. 또는, 반도체 소자는 치료용 의료용으로 사용되거나 공기 청정기나 정수기 등의 살균에 사용될 수도 있다.
도 16을 참고하면, 반도체 소자 패키지는 홈(3)이 형성된 몸체(2), 몸체(2)에 배치되는 반도체 소자(1), 및 몸체(2)에 배치되어 반도체 소자(1)와 전기적으로 연결되는 한 쌍의 리드 프레임(5a, 5b)을 포함할 수 있다. 반도체 소자(1)는 전술한 구성을 모두 포함할 수 있다.
몸체(2)는 자외선 광을 반사하는 재질 또는 코팅층을 포함할 수 있다. 몸체(2)는 복수의 층(2a, 2b, 2c, 2d)을 적층하여 형성할 수 있다. 복수의 층(2a, 2b, 2c, 2d)은 동일한 재질일 수도 있고 상이한 재질을 포함할 수도 있다.
홈(3)은 반도체 소자에서 멀어질수록 넓어지게 형성되고, 경사면에는 단차(3a)가 형성될 수 있다.
투광층(4)은 홈(3)을 덮을 수 있다. 투광층(4)은 글라스 재질일 있으나, 반드시 이에 한정하지 않는다. 투광층(4)은 자외선 광을 유효하게 투과할 수 있는 재질이면 특별히 제한하지 않는다. 홈(3)의 내부는 빈 공간일 수 있다.
반도체 소자는 조명 시스템의 광원으로 사용되거나, 영상표시장치의 광원이나 조명장치의 광원으로 사용될 수 있다. 즉, 반도체 소자는 케이스에 배치되어 광을 제공하는 다양한 전자 디바이스에 적용될 수 있다. 예시적으로, 반도체 소자와 RGB 형광체를 혼합하여 사용하는 경우 연색성(CRI)이 우수한 백색광을 구현할 수 있다.
상술한 반도체 소자는 발광소자 패키지로 구성되어, 조명 시스템의 광원으로 사용될 수 있는데, 예를 들어 영상표시장치의 광원이나 조명 장치 등의 광원으로 사용될 수 있다.
영상표시장치의 백라이트 유닛으로 사용될 때 에지 타입의 백라이트 유닛으로 사용되거나 직하 타입의 백라이트 유닛으로 사용될 수 있고, 조명 장치의 광원으로 사용될 때 등기구나 벌브 타입으로 사용될 수도 있으며, 또한 이동 단말기의 광원으로 사용될 수도 있다.
발광 소자는 상술한 발광 다이오드 외에 레이저 다이오드가 있다.
레이저 다이오드는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1도전형 반도체층과 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함할 수 있다. 그리고, p-형의 제1 도전형 반도체와 n-형의 제2 도전형 반도체를 접합시킨 뒤 전류를 흘러주었을 때 빛이 방출되는 electro-l㎛inescence(전계발광) 현상을 이용하나, 방출되는 광의 방향성과 위상에서 차이점이 있다. 즉, 레이저 다이오드는 여기 방출(stimulated emission)이라는 현상과 보강간섭 현상 등을 이용하여 하나의 특정한 파장(단색광, monochromatic beam)을 가지는 빛이 동일한 위상을 가지고 동일한 방향으로 방출될 수 있으며, 이러한 특성으로 인하여 광통신이나 의료용 장비 및 반도체 공정 장비 등에 사용될 수 있다.
수광 소자로는 빛을 검출하여 그 강도를 전기 신호로 변환하는 일종의 트랜스듀서인 광 검출기(photodetector)를 예로 들 수 있다. 이러한 광 검출기로서, 광전지(실리콘, 셀렌), 광 출력전 소자(황화 카드뮴, 셀렌화 카드뮴), 포토 다이오드(예를 들어, visible blind spectral region이나 true blind spectral region에서 피크 파장을 갖는 PD), 포토 트랜지스터, 광전자 증배관, 광전관(진공, 가스 봉입), IR(Infra-Red) 검출기 등이 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 광검출기와 같은 반도체 소자는 일반적으로 광변환 효율이 우수한 직접 천이 반도체(direct bandgap semiconductor)를 이용하여 제작될 수 있다. 또는, 광검출기는 구조가 다양하여 가장 일반적인 구조로는 p-n 접합을 이용하는 pin형 광검출기와, 쇼트키접합(Schottky junction)을 이용하는 쇼트키형 광검출기와, MSM(Metal Semiconductor Metal)형 광검출기 등이 있다.
포토 다이오드(Photodiode)는 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함할 수 있고, pn접합 또는 pin 구조로 이루어진다. 포토 다이오드는 역바이어스 혹은 제로바이어스를 가하여 동작하게 되며, 광이 포토 다이오드에 입사되면 전자와 정공이 생성되어 전류가 흐른다. 이때 전류의 크기는 포토 다이오드에 입사되는 광의 강도에 거의 비례할 수 있다.
광전지 또는 태양 전지(solar cell)는 포토 다이오드의 일종으로, 광을 전류로 변환할 수 있다. 태양 전지는, 발광소자와 동일하게, 상술한 구조의 제1 도전형 반도체층과 활성층 및 제2도전형 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, p-n 접합을 이용한 일반적인 다이오드의 정류 특성을 통하여 전자 회로의 정류기로 이용될 수도 있으며, 초고주파 회로에 적용되어 발진 회로 등에 적용될 수 있다.
또한, 상술한 반도체 소자는 반드시 반도체로만 구현되지 않으며 경우에 따라 금속 물질을 더 포함할 수도 있다. 예를 들어, 수광 소자와 같은 반도체 소자는 Ag, Al, Au, In, Ga, N, Zn, Se, P, 또는 As 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있으며, p형이나 n형 도펀트에 의해 도핑된 반도체 물질이나 진성 반도체 물질을 이용하여 구현될 수도 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
120: 반도체구조물
124: 제1도전형 반도체층
126: 활성층
127: 제2도전형 반도체층
142: 제1 전극
150: 제2 도전층
246: 제2 전극
247: 제3 전극
248: 반사층

Claims (15)

  1. 제1 도전형 반도체층, 제2 도전형 반도체층, 상기 제1 도전형 반도체층과 상기 제2 도전형 반도체층 사이에 배치되는 활성층을 포함하고,
    상기 제2 도전형 반도체층 및 상기 활성층을 관통하여 상기 제1 도전형 반도체층의 일부 영역까지 배치되는 복수 개의 리세스를 포함하는 반도체 구조물;
    상기 복수 개의 리세스의 내부에 배치되어 상기 제1 도전형 반도체층과 전기적으로 연결되는 제1 전극;
    상기 제2 도전형 반도체층의 제1면에 배치되는 제2 전극;
    상기 제2 전극상에 배치되는 제3 전극;
    상기 제2 전극과 제3 전극 상에 배치되는 반사층;
    상기 제1 전극과 전기적으로 연결되는 제1 도전층; 및
    상기 반사층을 관통하여 상기 제2 전극과 전기적으로 연결되는 제2 도전층을 포함하고,
    상기 제2 전극은 투광 전극이고, 상기 제3 전극은 Al을 포함하고,
    상기 제3 전극과 상기 반사층의 면적비는 1:0.8 내지 1:1.3이고,
    상기 제3 전극은 복수 개의 홀을 포함하고,
    상기 복수 개의 제1 전극은 평면상 상기 복수 개의 홀의 내부에 배치되는 반도체 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 제1굴절률을 갖는 복수 개의 제1반사층, 및 제2굴절률을 갖는 복수 개의 제2반사층을 포함하는 반도체 소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반사층은 DBR(Distributed Bragg Reflector)을 포함하는 반도체 소자.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 홀은 다각 형상 또는 원 형상을 갖는 반도체 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 제1면과 상기 반사층의 면적비는 1:0.3 내지 1: 0.7인 반도체 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 전극은,
    Al을 포함하는 제1층,
    상기 제1층과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 제2층, 및
    상기 제1층과 상기 제2 도전층 사이에 배치되는 제3층을 포함하고,
    상기 제2층은 Cr, Ti, Ni 중 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제3층은 Ni, Ti, No, Pt, W, Au, Ni 중 적어도 하나를 포함하는 반도체 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극의 면적은 상기 제3 전극의 면적보다 큰 반도체 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 도전형 반도체층의 제1면과 상기 제1 전극의 면적비는 1: 0.08 내지 1:0.15인 반도체 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 리세스의 내부에 배치되어 상기 제1 도전층을 상기 활성층 및 제2도전형 반도체층과 절연시키는 제1 절연층, 및
    상기 제1 도전층과 제2 도전층 사이에 배치되는 제2 절연층을 포함하는 반도체 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 절연층은 상기 제1면으로 연장되는 연장부를 포함하는 반도체 소자.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 반사층은 상기 연장부와 상기 제2 전극 사이의 이격 영역에 채워지는 반도체 소자.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제3 전극은 상기 제1면의 가장자리로 연장되는 복수 개의 끝단부, 및 상기 복수 개의 끝단부를 연결하는 테두리 전극을 포함하는 반도체 소자.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 활성층은 자외선 파장대의 광을 출사하는 반도체 소자.
  15. 삭제
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